Penjelasan Sederhana Dioda Sebagai Saklar dan Junction

Dioda adalah komponen listrik populer yang memiliki beragam aplikasi. Salah satu aplikasinya adalah dioda sebagai saklar.

Dioda adalah komponen listrik dua terminal yang dibangun oleh junction PN untuk memberikan kemampuan bekerja pada dua mode seperti saklar.

Pada dasarnya:

• Ketika dioda dibias maju, ia bertindak sebagai hubung singkat.
• Ketika dioda mendapat bias balik, ia bertindak sebagai rangkaian terbuka.

Bias maju adalah keadaan ON, sedangkan bias balik adalah keadaan OFF.

Dioda menjadi bias balik dan berfungsi sebagai saklar terbuka jika tegangan yang telah ditentukan terlampaui karena resistansi dioda meningkat. Sakelar tertutup dibuat ketika tegangan yang diberikan turun di bawah tegangan referensi karena resistansi dioda berkurang dan dioda menjadi bias maju.

Bagaimana kita membuktikannya?

Kita akan menemukan jawabannya di bawah ini.

Dioda sebagai Saklar

Mengapa dioda sebagai saklar lebih disukai dibandingkan saklar mekanis?

Ada beberapa keuntungan menggunakan dioda dibandingkan saklar mekanis:

• Dioda tidak akan terpengaruh oleh oksidasi logam seiring waktu, tidak seperti saklar mekanis
• Kita tidak memerlukan kontak atau bagian bergerak seperti yang kita temukan pada saklar mekanis
• Ada batasan dalam mengoperasikan saklar mekanis, sedangkan saklar listrik hampir tidak terbatas
• Saklar mekanis pada akhirnya akan rusak dibandingkan dengan dioda yang bertahan lebih lama

Dioda Bertindak sebagai Saklar

Operasi dasar dioda adalah ketika tegangan diterapkan ke anoda, dioda mendapat bias maju dan bertindak sebagai rangkaian tertutup.

Jika tidak, ketika tegangan diterapkan ke katoda, dioda akan mendapat bias balik dan bertindak sebagai rangkaian terbuka.

Komponen elektronik ini mampu memblok aliran arus balik selama tegangan yang dialirkan ke katoda dan masih dalam batas tegangan rusaknya.

Sebuah dioda dibangun dari junction PN dengan:

• Wilayah P diberi doping ringan dan
• Wilayah-N terkena doping berat

Jika terminal A mempunyai potensial lebih tinggi dari terminal K, perangkat akan dioperasikan dalam mode bias maju dan arus yang mengalir dalam arah seperti yang ditunjukkan disebut arus maju (I_F).

Hal ini menghasilkan penurunan tegangan yang relatif kecil pada perangkat (<1 V), dan dapat diabaikan dalam kondisi ideal.

Amati rangkaian di bawah ini dimana dioda dalam keadaan ON (bias maju) ketika tegangan dibias maju (diberikan pada anoda), sedangkan dioda dalam keadaan OFF (bias mundur) ketika tegangan dibias mundur (diberikan pada katoda).

Di sisi lain, ketika bias mundur, arus tidak akan mengalir dan dioda daya praktis akan memiliki arus kecil yang mengalir ke arah sebaliknya yang disebut arus bocor.

Karakteristik Peralihan Dioda

Pemanfaatan dioda sebagai saklar bukan tanpa perhitungan apapun. Akan ada sesuatu yang disebut “dering” jika dioda dinyalakan dan dimatikan secara tiba-tiba sebelum waktu pemulihannya tercapai.

Osilasi akan dihasilkan oleh perubahan mendadak dari arus maju ke arus balik dan sebaliknya.

Seiring dengan adanya osilasi, perubahan arus yang tiba-tiba akan menimbulkan rugi-rugi daya akibat arus bocor dari peralihan menjadi tiba-tiba. Semakin tinggi arus bocor, semakin besar pula rugi-ruginya.

Karakteristik Peralihan Dioda Junction PN

Tentu saja tidak seperti saklar mekanis yang mampu beralih antara ON dan OFF hampir secara instan, dioda dan komponen elektronik lainnya memiliki kesamaan:

Respon sementara

Respon ini terjadi ketika dioda berpindah dari satu kondisi ke kondisi lain, berlangsung dalam waktu yang sangat singkat.

Perubahan bias maju ke bias mundur dan sebaliknya dalam waktu singkat akan menimbulkan efek pada rangkaian, dan seringkali diabaikan oleh banyak orang.

Namun sebelum kita mulai mempelajari tentang karakteristik peralihan Dioda PN Junction, kita akan mempelajari beberapa variabel yang digunakan dalam penjelasannya, yaitu:

• Waktu Pemulihan = waktu sebelum dioda pulih dari kondisi transien ke kondisi stabilnya.
• Forward Recovery Time (t_fr) = waktu yang dibutuhkan dioda untuk beralih dari bias mundur ke bias maju
• Reverse Recovery Time (t_rr) = waktu yang dibutuhkan dioda untuk beralih dari bias maju ke bias mundur
• Storage Time (T_s) = interval waktu ketika dioda tetap berada dalam keadaan bias maju (keadaan konduksi) meskipun dalam keadaan bias mundur.
• Waktu Transisi (T_t) = waktu yang dibutuhkan dioda untuk mencapai kondisi tunak setelah berubah dari bias maju menjadi bias mundur dan sebaliknya.
• Kepadatan pembawa muatan, juga dikenal sebagai konsentrasi pembawa = jumlah pembawa muatan per volume.
• Tegangan maju, V_F adalah penurunan tegangan dioda pada A dan K ketika dibias maju.
• Arus balik, I_R adalah arus pada tegangan tertentu, yaitu di bawah tegangan rusaknya.

Sekarang kita akan belajar tentang Reverse Recovery Time (t_rr), seperti yang disebutkan di atas adalah waktu yang dibutuhkan suatu dioda untuk beralih ke bias mundur dari bias maju. Ilustrasi hubungan antara waktu dan tegangan ditunjukkan di bawah ini.

Stempel waktu yang penting adalah:

1. Waktu 0 sampai t₁ adalah kondisi bias maju yang stabil.
2. Waktu t₁ adalah saat terjadi perubahan mendadak dari bias maju ke bias mundur.

3. Waktu t₁ sampai t₂ adalah Waktu Penyimpanan (T_s), yaitu waktu yang diperlukan untuk menghilangkan kelebihan biaya pengangkut minoritas
4. Waktu t₂ sampai t₃ merupakan Waktu Transisi (T_t), yaitu waktu yang diperlukan untuk berubah sempurna menjadi bias balik

5. Waktu t₁ sampai t₃ adalah waktu pemulihan mundur (trr), yaitu waktu keseluruhan yang dibutuhkan dioda untuk beralih dari bias maju ke bias mundur
6. Waktu t₃ dan seterusnya adalah kondisi bias balik yang stabil.

Waktu pemulihan terbalik rumus dioda adalah jumlah waktu penyimpanan dan waktu transisi.

Penting untuk menghitung waktu pemulihan terbalik. T_rr yang lebih rendah menunjukkan peralihannya lebih cepat.

Jika interval waktu dari arus balik maksimum hingga sekitar 0,25 arus pemulihan balik (I_RR) dapat diabaikan (kasus umum), maka persamaan berikut ini valid :

Dan arus pemulihan terbalik

di mana Q_RR adalah biaya penyimpanan.

Perlu diingat bahwa ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi kemampuan dioda sebagai saklar:

• Resistansi dioda
• kapasitansi dioda
• Lebar penipisan
• Konsentrasi doping